CN112763184B - 基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置和方法。所述装置包括光纤探测器和光纤固定台。光纤探测器通过滑动结构设置在光纤固定台上。光纤探测器和光纤固定台的相对表面构成横截面形状固定的管状通道，管状通道的方向和光纤探测器的滑动方向一致，用于固定放置待测增益光纤。测试光信号通过待测增益光纤时，光纤探测器滑动到多个测量位置获取待测增益光纤的侧面散射光信号。上述装置中光纤探测器对待测增益光纤的测量距离固定，通过获取待测增益光纤的侧面散射光信号计算其吸收系数，测量时不需要切割或移动光纤，可以降低测量操作因素引入的测量误差；还能显著缩短测量时间，降低测量仪器精度波动因素引入的测量误差。

Description

基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置和方法

技术领域

本申请涉及本光纤激光技术领域，特别是涉及一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置和方法。

背景技术

增益光纤是光激光器的核心组成之一，其作用是吸收泵浦光，产生粒子数翻转，从而为激光提供增益。测量增益光纤的泵浦吸收系数对于光纤拉制工艺、光纤激光器的搭建和非线性效应的抑制都有着重要的意义。

目前的增益光纤吸收系数测量系统和方法主要是基于泵浦光指数衰减定律，利用截断法测量不同增益光纤长度时输出的剩余泵浦光，进而计算出光纤吸收系数。

现有技术1(申请号201510728731.2)通过空间耦合将宽带光源满数值孔径地注入至待测光纤，待测光纤另一端用裸纤适配器耦合进光谱仪，测量过程中从后往前逐渐截短待测光纤，获取不同长度下对应的光谱，通过线性拟合法做直线，将斜率记为待测光纤的泵浦吸收系数。该方法的问题在于实施过程中需要多次切割光纤并插拔裸纤适配器，由于光谱仪对适配器中光纤的位置非常敏感，因此该操作容易引入人为误差。

现有技术2(授权公告号CN101886974B)是目前基于截断法较常见的方法，其基本思路是选取较长的待测光纤(5m～20m)，改变增益光纤的长度，利用空间光路将泵浦光和ASE光分开，测得剩余泵浦光的功率差值或光谱差值，并据此计算出光纤的泵浦吸收系数。该方法的问题在于：空间光路并不能完全将ASE光分开，存在一定系统误差；光纤太长容易引入弯曲损耗和扰模效果，改变泵浦吸收特性；以及，测量次数不够，容易引入随机误差。

现有技术3(授权公告号CN107238485B)在现有技术2的基础上构建了光纤振荡器，从而使ASE光变成了线宽较窄的信号光，同时结合现有技术1多次测量消除随机误差。该方法的问题在于：形成了振荡器结构，此时对纤芯中的信号光较强，有可能产生受激吸收，从而高估了光纤的吸收；每次截断光纤后，光纤输出端需要重新切割，切割角度的不同会对激光产生造成影响，从而影响吸收系数的测量。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供能够不改变待测增益光纤状态、以减少切割、弯曲、光谱测量等环节引入的测量误差的一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置和方法。

一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置，包括光纤探测器和光纤固定台。光纤探测器通过滑动结构设置在光纤固定台上。光纤探测器和光纤固定台的相对表面构成横截面形状固定的管状通道，管状通道的设置方向和光纤探测器的滑动方向一致，管状通道用于固定放置待测增益光纤。光纤探测器用于当测试光信号通过待测增益光纤时，滑动到多个预设的测量位置并获取待测增益光纤的侧面散射光信号。

使用时，将用于生成测试光信号的测试光源的输出端与场模匹配器的输入光纤连接，将场模匹配器的输出光纤与待测增益光纤的一端连接，将待测增益光纤的另一端对准输出光接收器，形成光路。其中，测试光源的中心波长是待测增益光纤的吸收波长，场模匹配器的输入光纤与测试光源匹配，场模匹配器的输出光纤与待测增益光纤的纤芯或内包层匹配(测量纤芯吸收系数时与纤芯匹配，测量包层吸收系数时与内包层匹配)。将待测增益光纤固定放置在管状通道中。将光纤探测器滑动到多个测量位置并获取待测增益光纤的侧面散射光信号，根据不同为值侧面散射光信号的变化情况得到待测增益光纤的吸收系数值。

其中一个实施例中，光纤探测器包括光电二极管和探测电路。光电二极管的光学窗口朝向待测增益光纤设置，用于当测试光信号通过待测增益光纤时，接收待测增益光纤的侧面散射光，将侧面散射光转换为对应的电流信号。

探测电路用于接收光电二极管输出的电流信号，将收到的电流信号转换为对应的电压信号。

其中一个实施例中，还包括位置标尺和位置指针。位置标尺设置在光纤固定台上，位置指针设置在光纤探测器上。当光纤探测器沿待测增益光纤的设置方向移动时，根据位置标尺和位置指针的相对位置，得到对应的测量位置值。

其中一个实施例中，光纤固定台在与光纤探测器相对的表面上，沿光纤探测器的滑动方向设有光纤限位槽，光纤限位槽和光纤探测器的表面形成管状通道，光纤限位槽的深度和宽度与待测增益光纤的直径匹配。

其中一个实施例中，光纤限位槽为光滑直道，且光滑直道的内表面为镜面。

其中一个实施例中，还包括测试光源、场模匹配器和输出光接收器。测试光源用于生成测试光信号。场模匹配器的输入光纤与测试光源匹配，场模匹配器的输出光纤与待测增益光纤的纤芯或内包层匹配。测试光源、场模匹配器、待测增益光纤和输出光接收器依次连接形成光路。

其中一个实施例中，待测量增益光纤的长度小于1m。

一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量方法，使用上述任意一个实施例中的增益光纤吸收系数测量装置测量待测量增益光纤的吸收系数，所述方法包括：

将测试光信号输入待测增益光纤，滑动光纤探测器到多个预设的测量位置，获取待测增益光纤的侧面散射光信号。

根据多个测量位置的侧面光散射信号的强度变化，得到待测增益光纤的吸收系数值。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

将测试光信号输入待测增益光纤，滑动光纤探测器到多个预设的测量位置，获取待测增益光纤的侧面散射光信号。

根据多个测量位置的侧面光散射信号的强度变化，线性拟合得到待测增益光纤的吸收系数值。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

与现有技术相比，上述一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置、方法、计算机设备和存储介质，利用光纤探测器和光纤固定台形成用于固定待测增益光纤的管状通道；测量时将光纤探测器滑动到多个预设的测量位置，获取待测增益光纤的侧面散射光信号。本申请将待测增益光纤(还可以包括其熔接头)固定放置在封闭的管状通道中，测量时待测增益光纤的状态稳定，不需要进行光纤切割，不需要移动待测增益光纤，并且不改变测量距离，可以降低测量操作因素引入的测量误差；此外，由于本申请的测量过程简单，能够显著缩短测量时间，因此可以降低测量仪器精度波动因素(如测试光源的功率波动，光谱仪、功率计的测量精度波动等)引入的测量误差。

附图说明

图1为一个实施例中一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置的结构示意图；

图2为一个实施例中光纤探测器和光纤固定台的侧面剖视图；

图3为另一个实施例中一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1和图2所示，提供了一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置，包括光纤探测器5和光纤固定台3。光纤固定台3的表面平行设置三根槽，包括两根尺寸相同的第一滑槽302和第二滑槽303，以及一根贯通所在表面的光纤限位槽301。滑槽可以贯穿其设置的表面，也可以根据滑动范围设置，其最宽处不小于5mm。光纤限位槽301的宽度和深度与待测增益光纤4的直径匹配，使增益光纤能够放置在光纤限位槽中，不受到挤压且位置固定。光纤探测器5上设置有第一凸台502和第二凸台503，凸台的宽度略小于滑槽的宽度，二者的宽度差最小为0.1mm，最大为1mm。光纤探测器5的两个凸台放置在对应的滑槽中。光纤探测器5和光纤固定台3的光纤限位槽301之间，形成了一个将待测增益光纤固定在内的管状通道。光纤探测器5包括响应测试光源1波长的二极管、光电三极管等光电传感器501和探测电路505。光纤探测器5上开设有用于固定光电传感器501的探测槽，探测槽的宽度配合光电传感器的光学窗口宽度设置，可以为2mm-20mm。光电传感器501通过探测槽将其光学窗口设置在管状通道内壁，朝向待测增益光纤4的侧面。

需要说明的是，除了图2所示的光纤限位槽开设方式，还可以通过光纤探测器和光纤固定台的相对表面的形状配合形成横截面为矩形、圆形等的管状通道，并使管状通道的尺寸和待测增益光纤的直径匹配，实现使待测增益光纤固定且不受挤压的目的。此外，除了图2所示的滑槽和凸台配合的滑动结构，还可以使用其他滑动结构，如在光纤固定台上设置滑动杆，将光纤探测器设置在滑动杆上，实现使光纤固定台和光纤探测器只能沿光纤限位槽的方向相对滑动的目的。

进一步地，管状通道的中轴为直线，长度根据测试要求不同可以为20cm-100cm，通道内壁是光滑的圆弧形或者矩形，深度和宽度均大于待测增益光纤4的涂覆层直径，通常是600μm-1000μm。管状通道内壁除光电传感器501的光学窗口的部分均经过发亮处理，为反光表面，以便增加入射到光学窗口中的侧面散射光，降低对后端探测电路灵敏度的要求。滑槽尺寸大于5mm且内壁光滑。

使用时，将用于生成测试光信号的测试光源1的输出端与场模匹配器2的输入光纤连接，将场模匹配器2的输出光纤与待测增益光纤4的一端连接，将待测增益光纤4的另一端对准输出光接收器7，形成光路。其中，模场适配器2用于连接测试光源1和待测增益光纤4，使其光学模场进行匹配，模场适配器2的输入光纤与测试光源1完全匹配；当测量纤芯吸收系数时模场适配器2输出光纤与待测增益光纤4的纤芯完全匹配，当测量包层吸收系数时，模场适配器2的输出光纤是与待测增益光纤4的内包层完全匹配的无芯多模光纤。将待测增益光纤4固定放置在光纤限位槽301中，再将光纤探测器5的第一凸台502和第二凸台503对应放置进光纤固定台3的第一滑槽302和第二滑槽303中，使光纤探测器5和光纤固定台之间只能沿滑槽方向发生相对滑动。其中，测试光源1的中心波长是需要测量的待测增益光纤4的吸收波长，其输出功率在100mW以内可调节，输出光纤为通用单模光纤。输出光接收装置7可以但不限于是量程大于100mW的功率计或者不会反射光的金属块。

进一步地，可以将待测增益光纤和场模匹配器的输出光纤的熔接头放置在光纤限位槽中，使测量过程中熔接头位置更加稳定。

测量时，将光纤探测器5滑动到预设的多个测量位置，通过光电传感器501的光学窗口获取待测增益光纤4的侧面散射光信号并输出相应的电流信号，探测电路505接收电流信号并转换为对应的电压信号。假设测量位置L₁处测得的电压为V₁，测量位置L₂处测得的电压为V₂，测量位置L_n处测得的电压为V_n，以测量位置为自变量、以电压为应变量进行线性拟合，得到斜率k的绝对值，即为测试光源对应的待测增益光纤的吸收系数，单位为m^-1。

进一步地，测量位置为5个以上，使线性拟合结果更加准确。

本实施例提供的一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置利用光纤固定台固定待测增益光纤，利用滑槽固定光纤探测器和光纤固定台的相对距离，并使其可沿待测增益光纤的方向滑动；在测量过程中，不需要改变待测增益光纤状态，因此不会因光纤切割或弯曲，以及多次光谱测量中测量距离误差等因素引入测量误差；此外，由于测量过程简单快捷，测量过程受到测试光源的功率波动或者光谱仪、功率计等测量仪器的测量精度波动的影响很小，能进一步确保测量结果的准确性。

其中一个实施例中，如图3所示，还包括位置标尺304和位置指针504。位置标尺304设置在光纤固定台3上，位置指针504设置在光纤探测器5上。当光纤探测器5沿待测增益光纤4的设置方向移动时，根据位置标尺304和位置指针504的相对位置，得到对应的测量位置值。

其中一个实施例中，光纤限位槽为光滑直道，且光滑直道的内表面为镜面，以进一步增加入射到光电窗口的侧面散射光。

其中一个实施例中，第一滑槽302和第二滑槽303的宽度为5mm，深度为5mm。待测增益光纤4为20/400μm掺镱光纤。测试光源1的中心波长为976nm(与待测增益光纤4匹配)，输出功率50mW内可调，通过单模光纤输出。模场匹配器2的输入光纤与测试光源1匹配，为单模光纤；输出光纤与待测增益光纤4内包层匹配，为400μm无芯光纤，与待测增益光纤光学熔接后放入光纤限位槽301中。光纤限位槽301的截面为边长600μm的正方形，贯通光纤固定台3，长度为80cm，光纤限位槽301为光滑直道，且其内表面被处理为镜面。

光纤探测器5的第一凸台502和第二凸台503，高度为8mm，宽度为4.9mm。光电传感器501为光电二极管，在1μm波长附近响应大于0.5W/A，光学窗口朝向待测增益光纤4设置。探测电路505用于将光电传感器501测量得到的微弱电流信号转化为电压信号，电路的测量精度高于0.1％。输出光接收装置7为一个量程大于100mW的功率计，用于接收通过待测增益光纤4后的剩余泵浦光。

测试时，打开测试光源1，将注入功率调节到50mW，滑动光纤探测器5到7个预定的测量点，并记录每个位置与熔接点的距离L和该位置处的电压V。以距离L为横坐标，电压V为纵坐标线性拟合得到的斜率k的绝对值，即为该测试光源波长对应的吸收系数，单位m^-1。

使用本实施例提供的增益光纤吸收系数测量装置，可以在几十秒内完成测量，不会由于光源功率波动或者光谱仪、功率计长时间范围内存在测量误差而导致测量结果不准确；通过使用高精度的光电传感器，待测增益光纤的长度可以在1m以内，可以避免因待测光纤过长引起的受激吸收或者发射而影响测量结果；此外，利用光纤限位槽可以更加精确控制散射光收集范围和位置，减少了光纤探测器放置位置引入的误差，同时结合多次测量拟合取斜率，提高了测量结果的准确性。

其中一个实施例中，提供了一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量方法，使用上述任意一个实施例中的增益光纤吸收系数测量装置测量待测量增益光纤的吸收系数，所述方法包括：

将测试光信号输入待测增益光纤，滑动光纤探测器到多个预设的测量位置，获取待测增益光纤的侧面散射光信号。

根据多个测量位置的侧面光散射信号的强度变化，得到待测增益光纤的吸收系数值。

关于一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量方法的具体限定可以参见上文中对于一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置的限定，在此不再赘述。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

将测试光信号输入待测增益光纤，滑动光纤探测器到多个预设的测量位置，获取待测增益光纤的侧面散射光信号。

根据多个测量位置的侧面光散射信号的强度变化，得到待测增益光纤的吸收系数值。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

将测试光信号输入待测增益光纤，滑动光纤探测器到多个预设的测量位置，获取待测增益光纤的侧面散射光信号。

根据多个测量位置的侧面光散射信号的强度变化，得到待测增益光纤的吸收系数值。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量装置，其特征在于，包括光纤探测器和光纤固定台；

所述光纤探测器通过滑动结构设置在所述光纤固定台上；

所述光纤探测器和所述光纤固定台的相对表面构成横截面形状固定的管状通道，所述管状通道的设置方向和所述光纤探测器的滑动方向一致，所述管状通道用于固定放置待测增益光纤；

所述光纤探测器用于当测试光信号通过待测增益光纤时，滑动到多个预设的测量位置并获取所述待测增益光纤的侧面散射光信号；

所述增益光纤吸收系数测量装置还包括测试光源、场模匹配器和输出光接收器；

所述测试光源用于生成测试光信号；

所述场模匹配器的输入光纤与所述测试光源匹配，所述场模匹配器的输出光纤与待测增益光纤的纤芯或内包层匹配；其中，当测量纤芯吸收系数时，所述场模匹配器的输出光纤与待测增益光纤的纤芯完全匹配；当测量包层吸收系数时，所述场模匹配器的输出光纤是与待测增益光纤的内包层完全匹配的无芯多模光纤；

所述测试光源、所述场模匹配器、待测增益光纤和所述输出光接收器依次连接形成光路；

所述光纤探测器包括光电二极管和探测电路；

所述光电二极管的光学窗口朝向待测增益光纤设置，用于当测试光信号通过待测增益光纤时，接收所述待测增益光纤的侧面散射光，将所述侧面散射光转换为对应的电流信号；

所述探测电路用于接收所述光电二极管输出的电流信号，将所述电流信号转换为对应的电压信号；

所述装置还包括位置标尺和位置指针；

所述位置标尺设置在所述光纤固定台上，所述位置指针设置在所述光纤探测器上；

当所述光纤探测器沿待测增益光纤的设置方向移动时，根据所述位置标尺和所述位置指针的相对位置，得到对应的测量位置值；

所述光纤固定台在与所述光纤探测器相对的表面上，沿所述光纤探测器的滑动方向设有光纤限位槽，所述光纤限位槽和所述光纤探测器的表面形成管状通道，所述光纤限位槽的深度和宽度与待测增益光纤的直径匹配；

所述光纤限位槽为光滑直道，且所述光滑直道的内表面为反光面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述待测增益光纤的长度小于1m。

3.一种基于侧面散射光探测的增益光纤吸收系数测量方法，其特征在于，使用如权利要求1或2所述的增益光纤吸收系数测量装置测量待测增益光纤的吸收系数，所述方法包括：

将测试光信号输入待测增益光纤，滑动光纤探测器到多个预设的测量位置，获取所述待测增益光纤的侧面散射光信号；

根据多个所述测量位置的所述侧面散射光信号的强度变化，得到所述待测增益光纤的吸收系数值。

4.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求3所述方法的步骤。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求3所述方法的步骤。